Введение к работе
Актуальность темы исследования. На сегодняшний день почти во всех отраслях промышленности наблюдается проблема охлаждения оборотной воды до требуемых температур, особенно в летний период. В качестве водоохладителей используются, как правило, естественные или искусственные водоемы, а также градирни. Следует отметить, что во многих регионах имеется дефицит свежей воды, поэтому необходимо стремиться к снижению её потребления. Кроме того, использование природных водоемов недопустимо, потому что сброс воды повышенной температуры в них ведет к нарушению экологической системы. В процессе эксплуатации градирен существует множество проблем, таких как неравномерное распределение воды по сечению; унос капельной влаги и вредных веществ из градирен, приводящий к негативному воздействию на окружающую среду; в зимнее время происходит обледенение элементов градирни и выход их из строя.
Вышеизложенное обуславливает актуальность разработки
технологического процесса охлаждения оборотной воды энергетических установок промышленных предприятий в вихревых камерах.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МК-206.2012.8 на выполнение научно-исследовательских работ по теме «Разработка диспергирующих устройств для тепломассообменных аппаратов с высокой пропускной способностью» (договор № 16.120.11.206-МК от 1 февраля 2012 г.).
Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является разработка эффективных аппаратов на основе вихревой камеры для охлаждения оборотной воды промышленных предприятий, теоретическое и экспериментальное исследование гидрогазодинамики и тепломассообмена в разработанных аппаратах.
В непосредственные задачи исследования входило:
-
на основе анализа недостатков существующих способов, предназначенных для охлаждения оборотной воды промышленных предприятий, разработать новые конструкции аппаратов для охлаждения циркуляционной воды атмосферным воздухом, сочетающие в себе высокую производительность, малое гидравлическое сопротивление и высокую эффективность протекания процесса;
-
разработка устройств распределения воды в объеме сконструированных аппаратов, теоретическое и экспериментальное исследование влияния геометрических и технологических параметров на их работоспособность;
-
исследование гидрогазодинамики в разработанных вихревых камерах с разбрызгивающими устройствами для охлаждения оборотной воды с целью повышения её эффективности и пропускной способности;
-
разработать математическое описание процесса охлаждения воды атмосферным воздухом в вихревых камерах с разбрызгивающими устройствами;
-
провести экспериментальные исследования вихревых камер с разбрызгивающими устройствами для проверки достоверности математического описания в зависимости от различных конструктивных
параметров аппарата и нагрузок по газу и жидкости;
6) на основе анализа математического описания разработать инженерную методику расчета сконструированных вихревых камер с разбрызгивающими устройствами для охлаждения оборотной воды. Научная новизна работы:
-
разработана математическая модель процесса охлаждения оборотной воды воздухом в предложенных вихревых камерах с разбрызгивающими устройствами и получены зависимости геометрических размеров аппарата от требуемой степени охлаждения;
-
экспериментальным путем получены зависимости гидравлического сопротивления от скорости воздуха на входе в рабочую зону и отношения расходов жидкой и газовой фаз в разработанном вихревом аппарате с дисковым распылителем;
-
получены уравнения для определения геометрических размеров дискового распылителя;
-
получены экспериментальные зависимости эффективности теплообмена в предложенном аппарате от соотношения удельных расходов фаз, скорости газа на входе в аппарат, начальной температуры жидкости, радиуса аппарата, степени крутки, высоты лопаток завихрителя.
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается хорошей сходимостью теоретических исследований с результатами собственных экспериментов, а также с экспериментальными данными других авторов, применением законов сохранения импульса и массы.
Практическое значение работы:
-
представлен анализ водоохладителей по эффективности охлаждения, показана экономическая целесообразность охлаждения оборотной воды в установках с вихревыми камерами;
-
разработаны конструкции аппаратов с закрученным потоком, устройств распределения газа и жидкости, контактных устройств для тепломассообменных процессов и аппаратов (патенты РФ № 87924, № 89000, № 96786, № 99339, № 102309, № 102984, № 115234, № 2480699, № 127881);
-
разработана инженерная методика расчета вихревой камеры с дисковым распылителем, обеспечивающая возможность определения характерных параметров аппарата при различных нагрузках по воде и воздуху с целью оптимизации процесса охлаждения оборотной воды;
-
предложенная конструкция вихревой камеры с разбрызгивающими устройствами принята к внедрению на ООО «Татнефть-Пресскомпозит» г. Елабуга с целью повышения эффективности охлаждения оборотной воды на существующих производствах в аппаратах вихревого типа.
На защиту выносятся:
-
результаты теоретического и экспериментального исследований работоспособности разработанных разбрызгивающих устройств в зависимости от различных их конструктивных параметров и нагрузок по газу и жидкости;
-
комплекс исследований динамики двухфазного газожидкостного потока в вихревых камерах с разбрызгивающими устройствами;
-
математическое описание процесса охлаждения оборотной воды в
разработанных вихревых камерах с разбрызгивающими устройствами;
-
результаты экспериментальных исследований эффективности процесса охлаждения воды в разработанных аппаратах вихревого типа;
-
зависимости для расчета геометрических размеров дискового распылителя при условии равномерного орошения рабочей зоны вихревой камеры каплями воды;
-
инженерная методика расчета характерных параметров вихревых камер с дисковым распылителем, учитывающая различные нагрузки по воде и воздуху.
Личный вклад автора. Все результаты работы получены Дмитриевой О.С. под руководством д.т.н., профессора Николаева А.Н.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской
научно-практической конференции «Инновации и высокие технологии XXI
века» (Нижнекамск, 2009); XI Международной конференции молодых ученых
«Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2010); X Международной
научно-практической конференции «Экология и ресурсо- и энергосберегающие
технологии на предприятиях народного хозяйства» (Пенза, 2010);
Международной научно-практической конференции «XXXIX Неделя науки
СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2010); Всероссийской научно-практической
конференции с международным участием «Проблемы безопасности и защиты
населения и территорий от ЧС (Безопасность - 2011)» (Уфа, 2011);
Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика
инновационного развития: федеральный, региональный и муниципальный
аспекты» (Нижнекамск, 2011); Республиканской научно-практической
конференции, посвященной Международному году химии
«Высокоэффективные технологии в химии, нефтехимии и нефтепереработке» (Нижнекамск, 2011); VII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 50-летию первого полета человека в космос «Молодёжь и наука» (Красноярск, 2011); Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Нефть и нефтехимия» (Казань, 2011); Международной научно-практической конференции «XL Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2011); Международной научно-методической конференции «Интеграция науки и образования в вузах нефтегазового профиля - фундамент подготовки специалистов будущего» (Салават, 2012); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 30-летию механического факультета НХТИ «Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических производств и пути решения» (Нижнекамск, 2012); на ежегодных научных сессиях КГТУ (Казань, 2011,2012,2013); XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25» (Волгоград, 2012).
По результатам исследований, выполненных в рамках диссертации, автору была присуждена специальная государственная стипендия Республики Татарстан (2012), стипендия Президента Российской Федерации (2011/2012, 2012/2013 учебные годы).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 печатных
работы, в том числе 17 статей, опубликованных в научных изданиях, входящих в перечень ВАК, 9 патентов РФ на полезные модели и изобретения, 5 докладов на международных научных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, содержащих основные результаты исследования, выводов по работе и списка литературы, включающего 119 наименований. Работа изложена на 127 страницах, содержит 73 рисунка и 5 таблиц.
